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杨悦工程团队小组揭示了与湍流有关的位移结构
发布时间:2019-09-26 点击:
最近,北京大学工学院的杨越团队提出了一种通用的涡旋场结构算法。该算法识别出与湍流和能级有关的涡流管的结构
相关结果来自《流体力学杂志》(S.
XiongandY。
杨*,均匀各向同性湍流中涡管角的识别,J.
FluidMech
874,952-978,2019),交错的滚动显示被选为该杂志的封面图像。
先前的研究主要认为,湍流中的涡旋相互作用主导了不同尺度之间的能量传递过程(其中涡旋通常是形成管状结构的高强度涡旋)。指一个组)。
但是,在湍流能级链机理的研究中没有直观的物理图像,因为没有有效的方法来准确识别完整的位移结构。
杨悦的小组提出了一种通用算法,用于构造任意流场中涡旋场的数值解。
涡旋场的等值面是具有明确定义的数学定义的涡旋面,并且可以表示为几何特性,例如管状或分层形状。
该构造算法包括沿着涡旋传输和具有混合约束的极端函数问题的标量伪时间演化方程的解,以及一些可以使用涡旋表面场作为结构识别方法的复杂性。通用流动涡流动力学分析,可实现简单流动。
例如,在均匀的各向同性湍流中,涡旋场解的零等值面揭示了编织成复杂网络的纠缠涡旋结构(见图1)。
图1:涡流场的等值面揭示了参与各向同性湍流的涡流管的结构
基于Richardson和Kolmogorov等学者提出的现象学模型,通常假设湍流中的大规模和小规模能量转移是由类似于细胞分裂的“涡旋分解”引起的。
然而,涡流场的可视化揭示了涡旋演化方程的物理过程,这与涡旋演化方程(见图2)更加一致,并阐明了传统的涡旋识别方法。您无法基于局部速度显示完整的涡流管。
使用Lundgren膨胀涡旋管模型,可以将涡旋管的复杂形状(以涡旋表面场为特征)与Kolmogorov湍流能谱的比例速率统计联系起来。可以将湍流和统计理论两种。
图2:通过湍流中不同的涡旋识别方法获得的不同能级的物理图像:左侧的蓝色文本和结构在欧拉的视角下显示了“破碎”的结构过程你。红色文本和右侧结构显示了涡旋表面连续变形的拉格朗日过程。
红色实心箭头表示附着在涡旋表面上的涡旋,而虚线箭头表示涡旋的局部感应速度。
本研究的第一作者是北京大学工程学院的熊士英博士,通讯作者是杨悦。
这项研究是由中国国家自然科学基金优秀青年基金和重大研究项目资助的。


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